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문제 정의
- 본 연구에서는 온간하이드로포밍 시스템을 구축하고 온간상태에서 알루미늄 사이드레일을 제작하였으며 시제품 분석을 통해 그 효과를 정리하였다.
- 금형에 의해 예비성형된 튜브의 실링부는 땅콩 형태로 성형되는데 이때 경사진 사각펀치를 양쪽에 삽입하여 튜브의 형태를 사각으로 성형하여 실링 하였다. 펀치의 형태를 사각으로 설계한 것은 원형 튜브에서 최종 제품형태인 사각을 형성하기 위한 천이구간을 삭제하여 성형 후 소재의 트림 (trim)량을 최소화함으로써 소재 회수율을 향상시키고자 하였다.
제안 방법
- Fig. 1은 프레 임바디의 획기 적인 경량화를 위해 전체를 알루미늄으로 설계하였으며 특히 사이드 레일 부품은 알루미늄 튜브를 이용하여 하이드로포밍으로 성형하도록 설계되었다. 사이드레일 프론트와 리어부품은 10% 내외의 확관율을 갖도록 설계하였으며 사이드레일 센터 부품은 Fig.
- 금형 가열을 위하여 Fig. 3과 같이 지름 16mm, 길이 1, 300mm, 적정 용량의 히 팅 카트 리 지 (heating cartridge)를 상하 인서트 금형(cavity)에 4열을 삽입하였다. 인서트금형의 히터 삽입부 가공에 있어 금형 온도상승에 따른 금형 및 삽입된 히터의 열팽창율을 고려하여 적정유격을 두어 구멍을 가공하였으며 하이드로포밍 공정에 있어 최대 내부압력에 의한 파열방지를 고려하여 캐비티 면와 구멍 간의 두께를 결정하였다.
- 2와 같이 양 끝단에 삽입부를 두어 프론트, 리어 레일을 삽입하여 조립토록 설계하였다. 레일 삽입부의 확관율은 대략 20%로 설계되었는데 삽입부의 성형을 위해서는 높은 성형성이 요구되기 때문에 사이드 레일 센터 부품은 상온이 아닌 온 간 상태에서 성형되도록 설계하였다.
- 1은 프레 임바디의 획기 적인 경량화를 위해 전체를 알루미늄으로 설계하였으며 특히 사이드 레일 부품은 알루미늄 튜브를 이용하여 하이드로포밍으로 성형하도록 설계되었다. 사이드레일 프론트와 리어부품은 10% 내외의 확관율을 갖도록 설계하였으며 사이드레일 센터 부품은 Fig. 2와 같이 양 끝단에 삽입부를 두어 프론트, 리어 레일을 삽입하여 조립토록 설계하였다. 레일 삽입부의 확관율은 대략 20%로 설계되었는데 삽입부의 성형을 위해서는 높은 성형성이 요구되기 때문에 사이드 레일 센터 부품은 상온이 아닌 온 간 상태에서 성형되도록 설계하였다.
- 성형된 사이드레일 센터부품의 단면관찰을 위해 5곳을 절단하여 두께분포 및 성형패턴을 관찰하였다. 각 단면의 형상은 Fig.
- 매우 높게 설계되었다. 시제품 제작을 위해 상하 금형과 매체유 가열장치를 일정한 온도까지 예열한 후 원형 압출 튜브를 금형 내부에 장착하고 상부금형을 닫아 예비성형을 실시하였다. 금형에 의해 예비성형된 튜브의 실링부는 땅콩 형태로 성형되는데 이때 경사진 사각펀치를 양쪽에 삽입하여 튜브의 형태를 사각으로 성형하여 실링 하였다.
- 실링 후 내열펌프에 의해 매체유는 가열 장치의 내부경로를 거쳐 충분히 온도가 상승된 상태로 튜브 내부에 공급하였고 금형에 장착된 많은 열전대를 통해 일정 성형온도까지 제어 한 후 Fig. 6 과 같이 온간하이드로포밍을 실시하였다. 온간하이드로포밍 결과 낮은 성형압력에서도 Fig.
- 오일가열 장치는 간접가열식 보일러의 형태로 매체유는 내열 펌프를 이용해 저장탱크(oil bath)에서 가열장치로 강제 이송된다. 오일가열 장치로 이송된 매체 유는 내부에 원형으로 감겨진 구리튜브를 통과하면서 점차 온도가 상승하여 출구부에서의 매체유 온도는 내부 분위기 온도와 동일하게 유지되도록 제작하였다. 고온의 압력 매체유는 펀치를 통하여 가열된 알루미늄 튜브 내부에 공급되어 열 손실을 최소화 하여 온간 하이드로포밍 성형을 할 수 있도록 제작되었다.
- 온간하이 드로포밍 시스템을 구축하고 알루미 늄 6000계 합금을 이용하여 프레임바디용 사이드 레일 센터부품을 온간 하이드로포밍으로 제작하였으며 시제품 분석을 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 온간하이드로포밍에 있어 상온 매체유를 공급하는 경우 가열된 금형 및 튜브는 열전달에 의해 냉각되므로 효율이 저하될 것으로 예상되어 별도의 오일 가열 장치를 제작하였다. 오일가열 장치는 간접가열식 보일러의 형태로 매체유는 내열 펌프를 이용해 저장탱크(oil bath)에서 가열장치로 강제 이송된다.
- 5에서 나타낸 바와 같이 온간 하이드로포밍 결과 350bar의 압력에서 완전 성형되었다. 이때 시험 온도는 200~300℃ 온도범위에서온간 성형을 실시하였으며 축압축량은 좌, 우 각각 27mm로 온간성형성의 향상효과를 확인하기 위해 소재유입량을 최소화 하였다.
- 3과 같이 지름 16mm, 길이 1, 300mm, 적정 용량의 히 팅 카트 리 지 (heating cartridge)를 상하 인서트 금형(cavity)에 4열을 삽입하였다. 인서트금형의 히터 삽입부 가공에 있어 금형 온도상승에 따른 금형 및 삽입된 히터의 열팽창율을 고려하여 적정유격을 두어 구멍을 가공하였으며 하이드로포밍 공정에 있어 최대 내부압력에 의한 파열방지를 고려하여 캐비티 면와 구멍 간의 두께를 결정하였다. 계산결과 온간하이드로포밍에 있어 재료연화에 따라 성형압력이 매우 낮아지므로 그 영향도는 매우 낮은것으로 나타났다.
대상 데이터
- 향상된다[8, 9, 10]. 사이드레일 센터 부품용 소재는 알루미늄 6000계열 합금으로 지름 120mm, 길이 1, 160mm , 두께 5mm의 소재를 사용하였으며 상온에서 하이드로포밍 성형을 하는 경우 l, 000bar 이상의 압력에서 완전성형 될 것으로 예상되었으나 Fig. 5에서 나타낸 바와 같이 온간 하이드로포밍 결과 350bar의 압력에서 완전 성형되었다. 이때 시험 온도는 200~300℃ 온도범위에서온간 성형을 실시하였으며 축압축량은 좌, 우 각각 27mm로 온간성형성의 향상효과를 확인하기 위해 소재유입량을 최소화 하였다.
성능/효과
- (2) 사각펀치의 사용으로 인해 천이구간이 없도록 설계하였고 스크랩량을 최소화 하여 소재 회수율을 향상시킬 수 있었다.
- (3) 성형온도의 상승에 따라 성형성은 비례적으로 상승하였고 온간상태에서 300bar의 압력으로 소재 유입을 최소화하여 시제품을 완전성형 하였다.
- (4) 시제품 평가결과 두께감소율은 최대 20% 이하로 균일하였으며 최대 두께감소부는 코너 중심부가 아닌 중심부 근처의 금형접촉부에서 우선적으로 신장 변형되어 두께 감소율이 가장 높았다.
- 각 단면의 형상은 Fig. 8과 같이 국부적 인 박판 부는 관찰할 수 없었고 성형 양상도 최대확관부 단면 S1, S5과 저 확관부 S2, S3, S4를 비교해 볼 때 확관율과는 관계없이 동일한 것으로 판단되었다. 각 단면별 코너부 4곳의 곡률반경도 저확관부는 물론 고 확관부에서도 설계대로 정확히 성형되었다.
- 인서트금형의 히터 삽입부 가공에 있어 금형 온도상승에 따른 금형 및 삽입된 히터의 열팽창율을 고려하여 적정유격을 두어 구멍을 가공하였으며 하이드로포밍 공정에 있어 최대 내부압력에 의한 파열방지를 고려하여 캐비티 면와 구멍 간의 두께를 결정하였다. 계산결과 온간하이드로포밍에 있어 재료연화에 따라 성형압력이 매우 낮아지므로 그 영향도는 매우 낮은것으로 나타났다. 금형본체와 캐비티 금형간은 단열재로 차단하여 열 손실을 방지하였다.
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10에 나타내었다. 사이드레일 센터부는프론트부와 리어부의 확관율이 최대 10.5% 인 데 반해 비해 전체적으로 11.5%로 확관되었으며 삽입부는 성형결함 없이 최대 20%의 확관율을 나타내었다.
- 온간 하이드로포밍 결과 성형온도의 상승에 따라 소재의 성형성은 선형적으로 상승하였으며 사이드 레일 제품은 lOObar의 압력에서도 90% 이상 성형 되었고 이때 축방향 소재 유입량은 좌우 10~20mm 정도로서 실링을 위한 최소한의 축 압축을 사용하였다. 그러나 온간하이드로포밍 공정에 있어 좌굴이나 주름발생 문제는 상온보다 더 민감한 반응을 나타내는데 그것은 온도상승으로 인한 소재의 연화로 인해 축압축 시 축방향 응력에 대해 저항력이 낮아지기 때문이다.
- 6 과 같이 온간하이드로포밍을 실시하였다. 온간하이드로포밍 결과 낮은 성형압력에서도 Fig. 7과 같이 코너반경의 성형은 설계대로 완전 성형 되었으며 단면의 두께 분포도 매우 균일하였다.
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